Des scientifiques mettent au point le moyen le plus sensible d'observer des molécules uniques
La nouvelle méthode sans étiquette rend les molécules si faciles à détecter que c'est presque comme si elles avaient des étiquettes
Des scientifiques de l'université du Wisconsin-Madison ont mis au point la méthode la plus sensible à ce jour pour détecter et établir le profil d'une molécule unique, ouvrant ainsi la voie à un nouvel outil qui pourrait permettre de mieux comprendre comment les éléments constitutifs de la matière interagissent les uns avec les autres. Cette nouvelle méthode pourrait avoir des implications dans des domaines aussi variés que la découverte de médicaments et le développement de matériaux avancés.
Le cœur de cette étude est une microcavité de fibre. On peut y voir une petite dépression concave à la surface d'une fibre optique. Les chercheurs ont utilisé une microcavité avec deux miroirs concaves, mais cette image d'une seule microcavité concave permet de mieux voir la configuration du miroir de la fibre.
Photo by Carlos Saavedra / UW–Madison
La réalisation technique, décrite en détail dans la revue Nature, marque une avancée significative dans le domaine en plein essor de l'observation des molécules individuelles sans l'aide d'étiquettes fluorescentes. Bien que ces étiquettes soient utiles dans de nombreuses applications, elles modifient les molécules d'une manière qui peut obscurcir la façon dont elles interagissent naturellement les unes avec les autres. La nouvelle méthode sans étiquette rend les molécules si faciles à détecter que c'est presque comme si elles avaient des étiquettes.
"Nous sommes très enthousiastes", déclare Randall Goldsmith, professeur de chimie à l'UW-Madison, qui a dirigé les travaux. "Saisir les comportements au niveau des molécules uniques est un moyen incroyablement instructif de comprendre les systèmes complexes, et si l'on peut construire de nouveaux outils qui permettent un meilleur accès à cette perspective, ces outils peuvent être vraiment puissants".
Si les chercheurs peuvent glaner des informations utiles en étudiant les matériaux et les systèmes biologiques à plus grande échelle, M. Goldsmith estime que l'observation du comportement des molécules individuelles et de leurs interactions est importante pour contextualiser ces informations, ce qui conduit parfois à de nouvelles découvertes.
"Lorsque vous observez comment les nations interagissent entre elles, tout se résume aux interactions entre les individus", explique M. Goldsmith. "Il ne viendrait même pas à l'idée de comprendre comment les groupes de personnes interagissent les uns avec les autres en ignorant comment les individus interagissent les uns avec les autres.
M. Goldsmith s'intéresse à l'attrait des molécules uniques depuis qu'il est chercheur postdoctoral à l'université de Stanford, il y a plus de dix ans. Il y a travaillé sous la direction du chimiste W.E. Moerner, qui a reçu le prix Nobel de chimie en 2014 pour avoir mis au point la première méthode d'observation d'une molécule unique à l'aide de la lumière.
Depuis le succès initial de Moerner, les chercheurs du monde entier ont conçu et affiné de nouvelles méthodes d'observation de ces minuscules morceaux de matière.
La méthode mise au point par l'équipe de l'UW-Madison repose sur un dispositif appelé microrésonateur optique ou microcavité. Comme son nom l'indique, la microcavité est un espace extrêmement petit où la lumière peut être piégée à la fois dans l'espace et dans le temps - au moins pendant quelques nanosecondes - et où elle peut interagir avec une molécule. Les microcavités se trouvent généralement dans les laboratoires de physique ou de génie électrique, et non dans les laboratoires de chimie. La capacité de M. Goldsmith à combiner des concepts issus de domaines scientifiques disparates a été récompensée en 2022 par un prix Polymath décerné par Schmidt Futures.
Les microcavités sont construites à partir de miroirs incroyablement petits placés juste au-dessus d'un câble de fibre optique. Ces miroirs en fibre optique font rebondir la lumière plusieurs fois très rapidement à l'intérieur de la microcavité.
Les chercheurs laissent les molécules tomber dans la cavité, laissent la lumière la traverser et peuvent non seulement détecter la présence de la molécule, mais aussi obtenir des informations à son sujet, comme la vitesse à laquelle elle se déplace dans l'eau. Ces informations peuvent être utilisées pour déterminer la forme ou la conformation de la molécule.
"La conformation au niveau moléculaire est incroyablement importante, en particulier pour réfléchir à la manière dont les biomolécules interagissent entre elles", explique M. Goldsmith. "Supposons que vous ayez une protéine et un médicament à petites molécules. Vous voulez savoir si la protéine est médicamenteuse, c'est-à-dire si le médicament a une interaction majeure avec la protéine. L'une des façons de le savoir est d'introduire un changement de conformation".
Il existe d'autres moyens d'y parvenir, mais ils nécessitent de grandes quantités d'échantillons et des analyses fastidieuses. Avec la nouvelle technique de microcavité, explique M. Goldsmith, "nous pouvons potentiellement construire un outil de boîte noire qui nous donnera la réponse en quelques dizaines de secondes".
L'équipe, dont fait partie Lisa-Maria Needham, ancienne chercheuse postdoctorale aujourd'hui directrice de laboratoire à l'université de Cambridge, a déposé un brevet pour ce dispositif. Selon M. Goldsmith, le dispositif et les méthodes seront affinés au cours des deux prochaines années. Dans l'intervalle, il affirme que ses collaborateurs et lui-même réfléchissent déjà aux nombreuses possibilités d'utilisation de ce dispositif.
"Nous sommes enthousiastes à l'idée de nombreuses autres applications dans le domaine de la spectroscopie", déclare-t-il. "Nous espérons que nous pourrons nous en servir comme d'un tremplin vers d'autres façons d'apprendre à connaître les molécules.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Lisa-Maria Needham, Carlos Saavedra, Julia K. Rasch, Daniel Sole-Barber, Beau S. Schweitzer, Alex J. Fairhall, Cecilia H. Vollbrecht, Sushu Wan, Yulia Podorova, Anders J. Bergsten, Brandon Mehlenbacher, Zhao Zhang, Lukas Tenbrake, Jovanna Saimi, Lucy C. Kneely, Jackson S. Kirkwood, Hannes Pfeifer, Edwin R. Chapman, Randall H. Goldsmith; "Label-free detection and profiling of individual solution-phase molecules"; Nature, Volume 629, 2024-5-8
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